(57)【要約】【課題】支持基体への実装後の残留歪みによるＮＦＰの不均一化や、半導体レーザの割れを防止することにより、信頼性の向上した半導体レーザを提供する。【解決手段】バッファ層１２，ｎ型クラッド層１３，ｎ型光導波層１４，活性層１５，ｐ型光導波層１６，第１ｐ型クラッド層１７，ｐ型エッチング阻止層１８，第２ｐ型クラッド層１９，ｐ型中間層２０，ｐ型キャップ層２１をこの順に積層してなる半導体層１１を備える。第２ｐ型クラッド層１９，ｐ型中間層２０およびｐ型キャップ層２１は、その上部に、帯状のリッジ部２３と、帯状のダミーリッジ部２５とを交互に配列してなるレーザ構造を有する。リッジ部２３は活性層１５への電流注入機能を有するが、ダミーリッジ部２５は活性層１５への電流注入機能を有さない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型層と、活性層と、第２導電型層とをこの順に積層してなる半導体層と、
前記第２導電型層の表面に帯状にかつ互いに離間して設けられた、前記活性層への電流注入機能を有する複数の第１リッジ部と、
前記第２導電型層の表面に帯状にかつ前記第１リッジ部に隣り合う位置に設けられた、前記活性層への電流注入機能を有しない１または複数の第２リッジ部と
を備えたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記第２リッジ部は、前記第１リッジ部と実質的に同じ高さを有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１リッジ部は、その最上部に電流注入用のキャップ層を有し、
前記第２リッジ部は、上面から側面に渡って絶縁膜で覆われている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１リッジ部の上面から側面に渡って電極が形成されている
ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１リッジ部の上面の幅をｄ１、互いに隣り合うリッジ部の上面の間隙をｄ２とすると、ｄ１は、以下の式を満たす
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
４０μｍ≦ｄ１≦０．４９×ｄ２…（１）
【請求項６】
前記第１リッジ部の上面の幅をｄ１、互いに隣り合うリッジ部の底部の間隙をｄ３、前記第２導電型層のうち前記第１リッジ部または前記第２リッジ部の形成されていない領域の厚さをｄ４とすると、ｄ４が０．２μｍ以上０．４μｍ以下のとき、ｄ３は、以下の式を満たす
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
２０μｍ≦ｄ３≦ｄ１…（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数のリッジ部を並列に配列してなるアレイ型の半導体レーザに係り、特に高出力の用途に好適なブロードエリア型の半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ（laser diode ；ＬＤ）は、ＣＤ（Compact Disk）またはＤＶＤ（Digital Versatile Disk）のような光ディスク装置における光源としての用途のほか、ディスプレイ，印刷機器，材料の加工または医療などさまざまな分野に応用されている。これらの応用分野においては出力の高いことが望ましい場合が多く、高出力半導体レーザに対する要望が高まっている。
【０００３】
出力を高くするためには、例えば、帯状のリッジ部を並列に配列し、それぞれのリッジ部に対応して射出される複数のレーザ光をレンズなどで集光することが有効である。このようなアレイ型の半導体レーザは、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
このような従来のアレイ型の半導体レーザでは、レーザ光の射出領域同士が近づき過ぎると、互いに干渉し合ってＮＦＰ（Near Field Pattern）が不均一となるので、通常、十分な間隔を開けて配置されている。具体的には、リッジ部の形成されていない領域の幅がリッジ部の上部の幅よりも大きくなるように配置されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３０３９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来のアレイ型の半導体レーザでは、サブマウントなどの支持基体上への実装後において次のような問題が生じていた。すなわち、この種のレーザはリッジ部側を下にしてサブマウントに実装されるが、上述のようにレーザ光の射出領域の間隔が開いた状態で実装すると、支持基体との間で残留歪みが生じる。この残留歪みによって、半導体レーザ内に局所的に大きな応力が発生し、結晶が劣化したり、ＮＦＰが不均一になり、さらにはレーザ自体が割れてしまうこともある。このように、従来のアレイ型の半導体レーザでは、実装後の残留歪みによって信頼性が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、支持基体への実装後の残留歪みによるＮＦＰの不均一化や、割れの発生を防止することにより、信頼性の向上した半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による半導体レーザは、第１導電型層と、活性層と、第２導電型層とをこの順に積層してなる半導体層を備えたものである。第２導電型層の表面には、帯状にかつ互いに離間して、活性層への電流注入機能を有する複数の第１リッジ部と、帯状にかつ第１リッジ部に隣り合う位置に、活性層への電流注入機能を有しない１または複数の第２リッジ部とがそれぞれ設けられている。ここで、「第２導電型層の表面」とは、第２導電型層のうち表面を含む上部と、第２導電型層の表面上に何らかの層が形成されているときはその層と、を含む領域を指している。
【０００９】
本発明の半導体レーザでは、活性層への電流注入機能を有する本来のリッジ部（第１リッジ部）の間など隣り合う位置に、電流注入機能を有しない所謂ダミーリッジ（第２リッジ部）が存在していることにより、複数のリッジ部間の間隔が狭い、すなわちサブマウントなどの支持基体との接触面積が大きくなる。よって、支持基体上への実装の後において生ずる残留歪みによる応力が第１リッジ部だけでなく第２リッジ部にも分散され、１のリッジ部にかかる応力が小さくなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体レーザによれば、活性層への電流注入機能を有する本来のリッジ部（第１リッジ部）の間など隣り合う位置に、電流注入機能を有しないダミーリッジ（第２リッジ部）を設けるようにしたので、支持基体上への実装の後の残留歪みに起因して結晶が劣化したり、レーザが割れるようなことがなくなり、かつ、第１リッジ部からＮＦＰの良好な複数のレーザ光を安定して射出することができ、よって信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ１の断面構成の一部を表すものである。この半導体レーザ１は、複数のリッジ部を並列に配列してなるアレイ型のレーザであり、例えば、リッジ部の幅が１０μｍ以上、典型的には４０μｍ以上１００μｍ以下のブロードエリア型の高出力レーザである。
【００１３】
この半導体レーザ１は、基板１０の一面側に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる半導体層１１を成長させたものである。この半導体層１１は、バッファ層１２，ｎ型クラッド層１３，ｎ型光導波層１４，活性層１５，ｐ型光導波層１６，第１ｐ型クラッド層１７，ｐ型エッチング阻止層１８，第２ｐ型クラッド層１９，ｐ型中間層２０，ｐ型キャップ層２１をこの順に積層した構造を有する。
【００１４】
ここで、ｎ型クラッド層１３およびｎ型光導波層１４が本発明の「第１導電型層」に対応し、ｐ型光導波層１６，第１ｐ型クラッド層１７，ｐ型エッチング阻止層１８，第２ｐ型クラッド層１９，ｐ型中間層２０およびｐ型キャップ層２１が本発明の「第２導電型層」に対応する。以下、上記各半導体層を積層した方向を縦方向、レーザ光の射出方向を軸方向、軸方向と縦方向とに垂直な方向を横方向と称する。
【００１５】
なお、ここでいうＡｌＧａＩｎＰ系半導体とは、長周期型周期表における３Ｂ族元素のＡｌ（アルミニウム），Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）と、５Ｂ族元素のＰ（リン）とを含む化合物半導体のことをいう。これらは、必要に応じてＳｉ（シリコン），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ｏ（酸素），Ｓｅ（セレン）などのＩＶ族およびＶＩ族元素からなるｎ型不純物、または、Ｍｇ（マグネシウム），Ｚｎ（亜鉛），Ｃ（炭素）などのＩＩ族およびＩＶ族元素からなるｐ型不純物を含有している。
【００１６】
基板１０は、例えば、ｎ型ＧａＡｓにより構成される。バッファ層１２は、例えば、積層方向の厚み（以下、単に厚みという）が３０ｎｍのアンドープＧａＩｎＰにより構成される。ｎ型クラッド層１３は、例えば、厚みが８００ｎｍのｎ型ＡｌＩｎＰにより構成される。ｎ型光導波層１４は、例えば、厚みが１２０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰにより構成される。活性層１５は、例えば、厚みが１２ｎｍのアンドープＧａＩｎＰにより構成される。
【００１７】
ｐ型光導波層１６は、例えば、厚みが１２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰにより構成される。第１ｐ型クラッド層１７は、例えば、厚みが２５０ｎｍのｐ型ＡｌＩｎＰにより構成される。ｐ型エッチング阻止層１８は、例えば、厚みが１５ｎｍのｐ型ＧａＩｎＰにより構成される。第２ｐ型クラッド層１９は、例えば、厚みが５５０ｎｍのｐ型ＡｌＩｎＰにより構成される。ｐ型中間層２０は、例えば、厚みが３０ｎｍのｐ型ＧａＩｎＰにより構成される。ｐ型キャップ層２１は、例えば、厚みが１００ｎｍのｐ型ＧａＡｓにより構成される。
【００１８】
第２ｐ型クラッド層１９，ｐ型中間層２０およびｐ型キャップ層２１には、後述のようにｐ型キャップ層２１から第２ｐ型クラッド層１９まで選択的にエッチングすることにより、軸方向に延在する帯状のリッジ部２３（第１リッジ部）と、同じく軸方向に延在する帯状のリッジ部２４とを交互に配列してなるレーザ構造が形成されている。
【００１９】
リッジ部２３は、その最上部に、後述のｐ側電極２７と電気的に接続されるｐ型キャップ層２１を有しており、活性層１５のうちリッジ部２３に対応する領域に電流を注入する機能（電流注入機能）を有する。このリッジ部２３は、横方向の光モードを基本（０次）モードに安定に制御し、軸方向に導波させる機能を有するものである。また、各リッジ部２３は隣り合うリッジ部２３と所定の距離以上離間して設けられている。これは、活性層１５に形成されるレーザ光の射出領域同士が互いに近づき過ぎ、干渉し合ってＮＦＰが不均一となることを防止するためである。
【００２０】
一方、リッジ部２４は、リッジ部２３とは異なり、その最上部に、ｐ型キャップ層２１を有しておらず、その代わりに、上面から側面に渡って絶縁膜２６で覆われている。つまり、リッジ部２４はｐ側電極２７と電気的に絶縁されており、活性層１５への電流注入機能を有していない。そこで、以下、上記リッジ部２４およびリッジ部２４覆う絶縁膜２６からなる部位をダミーリッジ部２５（第２リッジ部）と称する。
【００２１】
このダミーリッジ部２５は、隣り合うリッジ部２３同士の隙間（窪み）を埋めて、半導体レーザ１をリッジ部２３側を下にして例えばサブマウントなどの支持基体に実装する際に、半導体レーザ１と支持基体との接触面積を増やすためのものである。これは、後述のように、半導体レーザ１と支持基体との接触面積が小さいと、支持基体との間で残留歪みが生じ、その残留歪みにより半導体レーザ１内に局所的に大きな応力が発生し、その結果、結晶が劣化したり、レーザが割れてしまうこともあるからである。
【００２２】
ただし、ｐ側電極２７をほぼ均一の厚さで形成したときに、半導体レーザ１と支持基体との接触密度を増やすには、リッジ部２３とダミーリッジ部２５との高さが、実質的に同じであることが必要となる。
【００２３】
そのため、ダミーリッジ部２５の絶縁膜２６は、ｐ型キャップ層２１とほぼ等しい厚さのＳｉＯ2 、ＺｒＯｘまたはＳｉＮなどの絶縁材料により構成されている。また、絶縁膜２６は、本実施の形態のように、リッジ部２３の側面に形成されていない方が好ましい。絶縁膜２６をリッジ部２３の側面にまで設けると、横方向の屈折率差が大きくなり、ＮＦＰが不均一となるからである。
【００２４】
ｐ側電極２７はリッジ部２３の上面から側面に渡って形成されている。このｐ側電極２７は、例えば厚さ５０ｎｍのＴｉ（チタン），厚さ１００ｎｍのＰｔ（白金）および厚さ１μｍのＡｕ（金）をこの順に積層した構造を有し、リッジ部２３のｐ型キャップ層２１とオーミック接触している。
【００２５】
ｐ側電極２７は、リッジ部２３の上面にだけ形成されていてもよいが、本実施の形態のように、リッジ部２３の側面にも形成されている方が好ましい。ｐ側電極２７をリッジ部２３の側面に設けると、絶縁膜２６をリッジ部２３の側面に設けた場合と比べて、横方向の屈折率差が小さくなる。これにより、横方向の光モードを基本（０次）モードに安定に制御することが可能となり、その結果、ＮＦＰが均一となるからである。
【００２６】
基板１０の裏面には、ｎ側電極２８が全体に渡って設けられており、基板１０と電気的に接続されている。このｎ側電極２８は、例えば、ＡｕおよびＧｅ（ゲルマニウム）の合金、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ、ＰｔおよびＡｕをこの順に積層した構造を有する。
【００２７】
ところで、リッジ部２３の上面の幅をｄ１、互いに隣り合うリッジ部２３，２３の上面の間隙をｄ２とすると、リッジ部２３の上面の幅ｄ１は、以下の式を満たすことが好ましい。ｄ１が４０μｍよりも狭いと、ブロードエリア型のレーザとして必要な光出力（例えば、１００ｍＷ以上）が得られないからであり、リッジ部２３の上面の幅ｄ１が０．４９×ｄ２μｍよりも広いと、フィルファクタｆの値が３３％を超えてしまい、これにより、半導体レーザ１内に熱がこもり、レーザ特性が悪化してしまうからである。
【００２８】
４０μｍ≦ｄ１≦０．４９×ｄ２…（１）
【００２９】
ここで、フィルファクタｆとは、（ｄ１／（ｄ１＋ｄ２））×１００で規定されたものであり、半導体層１１の表面全体のうち、活性層１５に対して電流が有効に注入される領域の占める割合のことである。これより、フィルファクタｆが大きいほど、半導体レーザ１内に熱がこもりやすくいことを意味しており、一般に、３３％を超えると熱設計が困難となり、レーザ特性が悪化しやすい。
【００３０】
また、互いに隣り合うリッジ部２３とダミーリッジ部２５の間の底部の間隙をｄ３、第１ｐ型クラッド層１７のうちリッジ部２３またはダミーリッジ部２５の形成されていない領域の厚さをｄ４とすると、厚さｄ４が０．２μｍ以上０．４μｍ以下のとき、間隙ｄ３は、以下の式を満たすことが好ましい。厚さｄ４を０．４μｍより大きくすると、電流注入領域に熱がこもりやすくなり、ＮＦＰが不均一となるからである。また、厚さｄ４を０．２μｍより小さくすると、駆動電流が大きくなってしまうからである。また、間隙ｄ３を２０μｍよりも小さくすると、ダミーリッジ部２５の構造的な広がりの影響を受けてリッジ部２３の電流狭窄機能が弱まってしまい、ＮＦＰが不均一となってしまうからである。また、間隙ｄ３をｄ１よりも大きくすると、半導体レーザ１と支持基体との接触密度が減少してしまうので、支持基体との間で残留歪みが生じ、その残留歪みにより半導体レーザ１内に局所的に大きな応力が発生し、その結果、結晶が劣化したり、ＮＦＰが不均一になってしまうからである。また、その応力により半導体レーザが割れてしまうこともあるからである。
【００３１】
２０μｍ≦ｄ３≦ｄ１…（２）
【００３２】
なお、上記の支持基体には、通常、熱膨張の少ないもの、例えば、シリコンカーバイド，アルミナまたはダイヤモンドなどが用いられる。
【００３３】
この半導体レーザ１は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００３４】
まず、基板１１の表面に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法により、バッファ層１２，ｎ型クラッド層１３，ｎ型光導波層１４，活性層１５，ｐ型光導波層１６，第１ｐ型クラッド層１７，ｐ型エッチング阻止層１８，第２ｐ型クラッド層１９，ｐ型中間層２０，ｐ型キャップ層２１を順に積層する（図２（Ａ）参照）。続いて、表面全体にレジスト剤を成膜したのち、露光・現像を行うことにより、フォトレジスト膜Ｒ１をパターニングする（図２（Ｂ）参照）。
【００３５】
次に、例えば、リン酸系の溶液を用いたウェットエッチング法により、ｐ型キャップ層２１を選択的に除去してｐ型中間層２０の上面を露出させる（図３（Ａ）参照）。続いて、フォトレジスト膜Ｒ１をマスクとして、例えば、酢酸系の溶液を用いたウェットエッチング法によりｐ型中間層２０および第２ｐ型クラッド層１９を選択的に除去する（図３（Ｂ）参照）。その後、フォトレジスト膜Ｒ１を除去する（図３（Ｃ）参照）。これにより、リッジ部２３が形成される。なお、図３（Ｃ）において、リッジ部２３の両脇に形成されたリッジは、後にダミーリッジ部２５となるものである。
【００３６】
次に、表面全体にレジスト剤を成膜したのち、露光・現像を行うことにより、リッジ部２３の上面にフォトレジスト膜Ｒ２を形成する（図４（Ａ）参照）。続いて、例えば、リン酸系の溶液を用いたウェットエッチング法により、ｐ型キャップ層２１を選択的に除去してｐ型中間層２０の上面を露出させる（図４（Ｂ）参照）。その後、フォトレジスト膜Ｒ２を除去する（図４（Ｃ）参照）。これによりリッジ部２４が形成される。
【００３７】
次に、表面全体に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ：化学気相成長）法を用いて、絶縁膜２６を形成する（図５（Ａ）参照）。続いて、絶縁膜２６の表面にレジスト剤を成膜したのち、露光・現像を行うことにより、リッジ部２３に対応する領域に開口を有するフォトレジスト膜Ｒ３を形成する（図５（Ｂ）参照）。
【００３８】
次に、例えばＢＨＦ溶液( フッ酸系緩衝溶液）を用いたウェットエッチング法により、リッジ部２３の表面に形成された絶縁膜２６を選択的に除去する（図６（Ａ）参照）。続いて、フォトレジスト膜Ｒ３を除去する。これにより、絶縁膜２６のうちリッジ部２３に対応する領域に開口が形成されると共に、ダミーリッジ部２５が形成される（図６（Ｂ）参照）。次いで、表面全体に、例えばＣＶＤ法を用いて、ｐ側電極２７を形成する（図６（Ｃ）参照）。
【００３９】
最後に、基板１１の裏面を研削して基板１１の厚みを調節したのち、例えばＣＶＤ法を用いて、基板１１の裏面にｎ側電極２８を形成する。これにより、本実施の形態の半導体レーザ１が完成する。
【００４０】
このように、本実施の形態の半導体レーザ１では、アレイ状に配列された、活性層１５に電流を注入するための本来のリッジ部２３の間に、活性層１５に電流を注入する機能を有さないダミーリッジ部２５を設けることにより、隣り合うリッジ部２３同士の隙間（窪み）を埋めることができる。これにより、例えばサブマウントなどの支持基体上への実装において、残留歪みによる応力が分散されて小さくなるので、結晶が劣化したり半導体レーザ１が割れる虞がなくなり、また、残留歪みによる影響をほとんど受けなくなる。その結果、ＮＦＰの良好な複数のレーザ光を安定して射出することができる。したがって、信頼性を向上させることができる。
【００４１】
また、リッジ部２３からの電流注入量を増加して高出力化した場合であっても、上記の式（１）を満たすような構成とすることにより、ＮＦＰを良好に保つことが可能である。
【００４２】
また、本実施の形態では、実装時に半導体レーザ１を支持基体に対して実質的に面接触させることができるので、局所的に熱がたまるのを防止することができ、排熱効率が向上する。
【００４３】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、ダミーリッジ部２５と本来のリッジ部２３とを交互に設けるようにしたが、必ずしも交互でなくてもよく、一方のリッジ部が連続する領域があってもよい。要は、ダミーリッジ部２５を設けることにより、実装時の残留歪みによる問題を解消できる態様であればよい。
【００４４】
なお、半導体層１１の構成材料は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体に限らず、ＧａＮ半導体や、ＡｌＧａＡｓ系半導体など他の材料系でもよく、また、活性層１５の上下の極性を逆にしてもよいことは言うまでもない。
【００４５】
また、本発明は、上記実施の形態で具体的に説明した製造方法に限定されるものではなく、他の製造方法であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図２】半導体レーザの製造工程を説明するための断面図である。
【図３】図２に続く工程を説明するための断面図である。
【図４】図３に続く工程を説明するための断面図である。
【図５】図４に続く工程を説明するための断面図である。
【図６】図５に続く工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…半導体レーザ、１０…基板、１１半導体層、１２…バッファ層、１３…ｎ型クラッド層、１４…ｎ型光導波層、１５…活性層、１６…ｐ型光導波層、１７…第１ｐ型クラッド層、１８…ｐ型エッチング阻止層、１９…第２ｐ型クラッド層、２０…ｐ型中間層、２１…ｐ型キャップ層、２３，２４…リッジ部、２５…ダミーリッジ部、２６…絶縁膜、２７…ｐ側電極、２８…ｎ側電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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